三分鐘談科普
你有沒有想過，如果有這樣的晶元，它可以在不占用太多空間和消耗太多功率的情況下實現超強的算力，甚至可以模擬人腦進行邏輯判斷和決策？本期我們就來了解一下憶阻器晶元，據說它比傳統晶元的效率高出1000倍，那麼它是否像傳說中一樣神奇呢？
憶阻器晶元是一種基於憶阻器的電路元件，憶阻器是繼電阻、電容和電感之後的第四個基本電路元件，它可以直接連線電荷和磁通量兩個物理量，還可以記住自己的電阻值，即使斷電也不會丟失。 這種特殊功能使憶阻器既可以用作儲存器，也可以用作計算器，還可以利用物理定律直接進行乘法和加法運算，這稱為儲存和計算整合。
憶阻器晶元有哪些優勢？首先，它的小體積允許它被做成高密度的交叉陣列，實現大規模並行的記憶體計算，可以節省大量的空間和時間。 其次，它具有低功耗，因為它不需要像傳統計算機那樣將資料從記憶體移動到運算器並再返回，從而減少了大量資料傳輸的功耗和延遲。 第三，它整合了儲存和計算，可以邊儲存資料邊計算，從而避免了傳統計算機設計的瓶頸，即儲存和計算速度的不匹配。
目前憶阻器晶元的主要應用方向是神經網路晶元，即憶阻器用於模擬人體神經元和突觸，實現類腦計算。 神經網路晶元主要應用於人工智慧領域，如影象識別、語音識別、自然語言處理等，它們需要對大量資料進行矩陣運算，這正是憶阻器所擅長的。 目前，大量的AI操作都是在雲計算機上進行的，畢竟移動裝置本身的效能非常有限，無法承擔龐大的AI計算任務，但無人駕駛、語音助手等服務需要快速響應，而雲服務總是有延遲，沒有本地服務快， 而雲服務仍然存在私隱洩露的風險，因此要求終端裝置能夠獨立完成計算。憶阻器晶元可以在不降低神經網路精度的情況下大大提高算力，同時還可以顯著降低功耗，這對於邊緣計算和物聯網等場景非常有用。
你可能會說，如果憶阻器晶元這麼強大，為什麼我以前好像沒有聽說過這個東西呢？這是因為憶阻器晶元還處於研發階段，還沒有大規模的商業化應用，但國內外很多科研機構和企業在這方面進行了探索和創新。 例如，清華大學吳華強教授的團隊成功開發出一種多陣列憶阻器儲存和計算整合系統，在處理卷積神經網路時，該系統的能效比尖端圖形處理器晶元高出兩個數量級，該研究於今年1月發表在《自然》雜誌上。 此外，華為已經布局憶阻器晶元，並申請了多項相關專利，涵蓋憶阻器的製造方法、結構設計、電路設計、神經網路設計等，可見其對憶阻器晶元的高度重視。
憶阻器晶元是一種革命性的新型晶元，它的出現將給計算機領域帶來巨大的變化，也將給人工智慧領域帶來更多的可能性。 憶阻器晶元的未來有很多有前途的方向，如腦機介面、量子計算、生物醫學等，都要求憶阻器晶元具有高效率、低功耗、儲存計算一體化的特點。 憶阻器晶元的發展還存在諸多挑戰，如器件的一致性、可靠性、穩定性等，需要不斷的研究和創新。 但是，我們相信，隨著科學技術的進步，憶阻器晶元的潛力將得到充分發揮，為人類生活和社會發展帶來更多的好處。